计算机控制系统发展动向的思索样本.doc

前言20世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术飞速发展，不但产生了各种各样自控产品，也丰富了人们进行自控设计思路与方案。在工业生产过程中，1969年问世PLC和1975年问世DCS也许是两类影响最为深远计算机控制系统。PLC问世取代了继电器之类器件，实现了开关量联锁控制、程序控制；DCS问世取代了显示仪、调节器之类仪表，实现了模仿量批示、记录和PID回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术发展，PLC、DCS互相融合，互相渗入，取长补短。PLC吸取了DCS在回路控制功能、CRT显示功能、网络功能等方面长处，DCS吸取了PLC在联锁控制功能、程序控制功能、梯形图及功能块图编程功能等方面长处，两者之间差别越来越小，分界线也越来越模糊了。此外，随着其她计算机控制系统不断浮现，控制系统产品早已呈现出多元化发展格局，而针对某一详细顾客来说，DCS+PLC控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化呼声越来越高。近年来，控制系统发展还浮现这样某些趋势：向国产DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线控制系统FCS转移，而以PC为基本控制系统(PC-Based Control System，PCBCS)也呈现良好发展态势。本文将针对以上动向谈谈作者想法。一 控制系统类型多元化20世纪70年代中期，DCS刚刚问世一两年就开始进入中华人民共和国，作为一种全新控制模式和以便实用CRT显示手段，不久为中华人民共和国顾客所接受，而在国外浮现更早PLC却迟至80年代初才为中华人民共和国技术人员所知晓。不久因单回路可编程序控制器普及，又浮现了PC+单回路可编程序控制器组共计算机控制系统，由于此方案数据采集、控制功能均由单回路可编程序控制器完毕，集中管理在PC机上实现，系统构成灵活、规模可变、危险分散、费用不高，因此当时就有学者指出这是最符合中华人民共和国国情一种控制系统选型方案。在中华人民共和国市场上影响最大日本山武公司KMM、SDC-40B，日本横河公司SLPC、YS170，美国福克斯波罗公司MICRO760、761、762，美国霍尼韦尔公司UDC6000、6300及国产DTZB-2310A等均可以这种方式构成计算机控制系统。进入90年代，单回路可编程序控制器向多回路及可附加I/O方向发展，一台盘装仪表形式可编程序控制器可以完毕双回路、4回路、8回路甚至24个回路PID控制，I/O点总数可达数十点乃至上百点，非常适合小型装置使用。某些生产大型DCS厂商也开始推出中型化、小型化、微型化DCS，例如美国霍尼韦尔公司就先后推出MICRO TDC-3000、S9000、SCAN3000、UMC800等控制系统，系统经济规模从数千点可减少到数十点。北京和利时公司在推出HS系统之后，也曾推出过100点如下规模mCS微型控制系统和稍大规模FOCS系统。甚至连记录仪、数字显示仪类产品也扩展了功能，厂家在为其配备通信接口后，也可以将它们作为数据采集器和后备仪表与PC构成简易型计算机控制系统(因某些记录仪、数字显示仪也带控制功能)。当系统工作正常时，可由PC机进行集中管理，一旦PC机浮现故障，记录仪或数字显示仪可作为备用仪表显示工艺参数。某些公司生产记录仪不但自身可与PC机构成控制系统，还可以与该公司生产可编程序控制器等设备共同构成控制系统，此时记录仪以其点数多(如6、12、24、32、64点)长处弥补可编程序控制器I/O点数较少、单个I/O点采集成本高缺陷，如泸州天然气化工厂240kt/y尿素工程监控系统就是由日本山武公司SDC30/31/40B可编程序控制器、美国霍尼韦尔公司DPR系列多点记录仪及PC机构成。某些生产计算机厂家不甘落后，近年来也推出某些I/O接口产品与其生产计算机配套，其中比较有影响是研华公司ADAM模块、研发公司DAC模块，这也是一类低成本计算机控制系统。此外，尚有近年来飞速发呈现场总线控制系统FCS，以及以PC为基本控制系统PCBCS。摆在控制系统选型者和顾客面前方案令人眼花缭乱，甚至不知所措，这种多元化市场格局虽然会使顾客选型增长诸多工作量，但较之一两个方案有充分挑选余地。二 控制设备一体化按国内体制，工程设计、施工安装、现场维护普通都是提成自控仪表、电气两个专业，模仿量控制选DCS、开关量控制选PLC几乎是80年代及90年代初期工业过程控制通用模式。这种方案采用两套控制设备，构成两个控制中心，带来投资、操作、生产管理上大量问题，虽然稍后采用接口让DCS、PLC互相通信，上述问题并未得到主线解决。因此不少顾客迫切但愿工艺过程所有控制规定应当由一种控制系统来完毕，至于工艺过程是属于持续过程、间断过程还是批量过程，是以模仿量为主还是以开关量为主，那只是控制系统选型应当考虑问题，其核心是控制设备应一体化。冶金行业较早提出EIC(电气、仪表、计算机)一体化，建材行业也如此，电力行业更但愿用一套控制设备完毕如下多类控制功能：DAS(数据采集系统)、CCS(协调控制系统)、SCS(顺序控制系统)、FSSS(炉膛安全监控系统)、ECS(电气控制系统)、DEH(汽轮机数字电液控制系统)、MEH(给水泵数字电液控制系统)、ETS(汽机联锁系统)，这些都阐明诸多行业都在倡导控制设备一体化。控制系统生产厂家早就看到了这一点，她们也不断地改进自己产品，如霍尼韦尔公司TDC-3000 DCS，本来对大量开关量控制采用IPC620-35 PLC，它通过PLC接口接入系统，这属于DCS+PLC方式。日后该公司将IPC620-35与PLC接口LMM(逻辑管理器组件)组合成LM(逻辑管理器)，作为大量开关量控制设备，而大量模仿量控制则先后采用PM(过程管理器)、APM(高档过程管理器)、HPM(高性能过程管理器)来完毕，这些设备通过UCN(通用控制网络)接入LCN(局部控制网络)，进入管理网络。这样变化对顾客来说感觉就不同样了，会以为它是一种一体化、具备强大开关量控制功能DCS，因此LM销售量远高于IPC620-35。再如西门子公司，PLC是其强项，S5、S7系列PLC产品早已风靡全球。该公司在1996年推出PCS7，号称是过程控制系统，但其硬件某些仍是原有PLC系统部件，如自动化控制系统(即现场控制站)中央解决器采用是S7-414以上CPU，其分布式I/O仍沿用S7 PLC中使用ET200远程I/O，只是控制软件选用了带更多模仿量控制功能WinCC，因此其模仿量解决功能、控制功能及网络功能大大增强，也更容易满足工艺过程控制系统一体化需求。制造厂家在扩展功能方面努力，为顾客实现工艺过程控制系统一体化创造了条件。中小型生产过程控制系统一体化较早得到顺利实行，大型生产过程控制系统一体化进展也不久。以炼铁高炉为例，近年来国内大型高炉所采用自动化系统实例关于资料中共列举了19套，在1994年此前投运有8套，其中DCS+PLC占大多数，一体化控制系统仅占25%；1994年及后来投运有11套，一体化控制系统则占73%。三 向国产DCS转移国产DCS虽然诞生于20世纪80年代，但获得实质性进展则是在90年代中期，当前令中华人民共和国仪器仪表行业引觉得豪浙江浙大中控公司、北京和利时公司、上海新华控制工程公司均从这一时期起步，当前都达到23亿元年产值和每年数十至上百套系统业绩。在与国外DCS厂家竞争中，当前还不好说国产DCS全面占有优势，但至少在一某些行业、在中小型公司能打成平手甚至略占优势。国产DCS从中小型公司开始，从辅助工序开始，现已逐渐进入大型、特大型公司，进入主体工序。以电力系统为例，国产DCS生产厂从中小机组开始，在50、100、125、200MW机组上积累了丰富经验，当前已在300MW机组上采用了25套(每一套I/O总点数约5000，是一种非常大系统)DCS。新华公司总承包了安徽平圩电厂2600MW机组、天津大唐盘山发电公司2600MW机组某些控制系统。核电站是公认控制规定最为严格行业，而和利时公司已先后有7套DCS应用于核电站。7月，和利时公司为秦山核电站二期工程2600MW压水堆电站提供成套设备仪表及控制系统(物理量点数超过10000)已通过由信息产业部科技司组织技术鉴定。由于三大国产DCS 公司不凡业绩，作者以为这些公司产品已从成长期进入成熟期。几年来，我院在几种工程项目中选用了浙大中控公司、和利时公司多套系统，这些系统在投运后均工作正常，尚未发现因硬件、软件因素导致系统不能正常使用问题，顾客对系统也比较满意。遗憾是国内PLC行业非常萧条，始终未有能与国外PLC相抗衡产品问世。北京和利时公司在其产品FOCS系统中除有FODCS外，尚有一款FOPLC，意欲在PLC产品领域与国外产品竞争。和利时公司FOCS系统采用是一种新产品开发思路，用德国VIPA公司I/O模块OEM及FOCS SOFT HMI人机界面软件构成中小规模PLC类产品。四 向PLC控制系统转移初期DCS、PLC各自为政，两者相安无事，而进入互相融合时期，其竞争非常激烈。PLC以其产品应用广泛、产量大、价格稍低优势逐渐挤占了DCS原有市场。如在90年代初期，美国德州仪器公司PLC产品PM550、TI650不但在冶金工厂需要开关量控制工序中大量得到使用，并且也进入了化工行业，如新疆化肥厂、湖南资氮集团；日本欧姆龙公司PLC在长山化肥厂、南化氮肥厂、三明化工厂、浩良河化肥厂也有成功应用。据简介，在国内水泥行业控制系统20余年应用中，DCS、PLC大体上各占半壁江山，其中80年代中后期及90年代初期以老式DCS应用较多，而在此之后，是以PLC型DCS(即PLC+微机构成DCS系统)应用较多，世界知名水泥公司设计或建设大型水泥厂控制系统也是以PLC型DCS为多。近年来，水泥工厂以及某些水厂、污水解决厂招标书上往往注明DCS，但实际来投标多是PLC厂商或系统集成商，中标系统也往往是PLC型DCS。1993年，全球PLC+DCS销售额是65.4亿美元，其中PLC占59.6%。，全球PLC+DCS销售额是117亿美元，比1993年增长了78.9%；其中PLC占65.0%，市场份额上升了5.4%，比1993年PLC销售额增长了94.9%；DCS市场份额从40.4%减少到35.0%，销售额仅增长了55.3%。尚有一种现象也阐明PLC影响越来越大，为PLC制定国际原则IEC 61131，不但在PLC产品中全面得到推广，并且众多DCS产品也竞相采用，例如组态方式采用IEC 61131-3中规定5种语言：梯形图、顺序功能图、功能块图、指令表和构造化文本语言。五 向现场总线控制系统转移现场总线具备如下特点：开放性、可互操作性与可互换性、全数字化、双向通信、智能化现场仪表，而以现场总线为基本开放式、全数字化控制系统称为现场总线控制系统。在国家经贸委行业规划司“仪器仪表行业十五规划”中，工业自动化仪表技术构造调节目的第一项为“开发基于现场总线技术智能化现场仪表新产品，并逐渐成为主流产品”，在核心技术中列出了“现场总线控制系统技术”，在重点支持建设科研和开发中心内容中第一项为“建立现场总线仪表及控制系统研究开发中心”，在重点科技攻关和产业化项目建议中第一项也是“新型现场总线控制系统智能仪表”和“现场总线控制系统”，由此可见国家对现场总线及现场总线控制系统注重。国内已有众多厂家推浮现场总线仪表及现场总线控制系统，如冶金自动化院早在90年代中期就推出Smar公司现场总线控制系统，国内DCS生产厂近年来也大力推出带现场总线控制系统，如北京和利时公司可连接Profibus现场总线FOCS系统，浙大中控公司Web Field ECS-100现场总线控制系统等。当现场总线控制系统概念刚刚推出时，控制功能分散、现场仪表信息量增长、节约电缆、减少安装工作量等长处使顾客非常容易接受，通过几年来舆论宣传，现场总线控制系统可以说已经进一步人心，人们追求新潮心理再加上实实在在好处，使控制系统从常规DCS、PLC向现场总线控制系统转移是顺理成章事了。以笔者所在云南地区为例，采用现场总线控制系统已有10各种，应用现场总线类型有Profibus、FF、Interbus。就现场总线和现场总线控制系统推广来说，中华人民共和国步伐是比较快。据6月在青岛召开中华人民共和国FF顾客组织会议上FF专家简介：FF已在世界上56个国家1800个系统中使用了4万多台设备，其中中华人民共和国约有100个系统、4000多台设备(涉及演示系统和设备)，这个应用规模在世界上排第4位。六 PCBCS发展前景近年来，有不少学者将PLC、DCS、PCBCS(或者再加上FCS)并称为当今工业生产过程三大(或四大)控制系统。甚至有人在两年此前文章中就谈到“多数人以为在此后内PC控制将逐渐取代老式PLC或DCS”。市场规定自动化系统制造商提供开放平台，但是只有PC机才干提供一种真正、完全开放平台，系统所有功能集成于PC这个统一开放平台上，可以减少安装空间、节约电缆，将复杂通信连接简朴化，还可通过Internet或Intranet得到重要生产信息，实现生产过程优化。什么是PCBCS呢？它是指将通过加固PC机硬件与控制软件相结合，实行普通由专用PLC执行控制功能，或者说将PLC控制功能“封装在”软件内，运营在PC环境中。PCBCS具备非常好开放性，下层对I/O系统是开放，可以支持各种I/O硬件，涉及诸多PLC远程I/O及I/O分站，上层对各种管理及通信软件是开放。PC控制长处可以概括为：价格较低；对各种控制及业务应用、信息存取均很简便；软件向新硬件平台可移植性优良；控制、人机界面及编程功能易于集成；易于将过程控制、逻辑控制、批量控制以及运动控制等合为一体；不依赖于各种专有控制系统。德国学者埃贝哈德格罗茨博士以为，基于PC自动化控制解决方案7种趋势是：在自动化控制技术中越来越多地使用PC；PC专用软件越来越多，人们可以在PC机上编程和操作，犹如在可编程序控制器上同样；可以在PC机上完毕实时控制任务系统软件应用越来越广泛；老式PC编程通过使用新编程技术，极大地推动了生产进步，使得基于PC自动化控制技术得到奔腾发展；基于PC自动化原则越来越多；Internet技术在自动化控制技术中越来越重要；分布式系统将变化自动化控制方式。各大PLC制造厂商，如西门子、Rockwell Automation、GE Fanuc、三菱电机，均推出自己品牌PC控制和软逻辑系统产品，其特点是CPU及其软件改用PC控制，而I/O通过控制总线或通信接口，与原有远程I/O系列或I/O模块衔接，这表白PLC生产厂商已接受PC控制技术路线。位于美国新泽西州普林斯顿西门子能源和自动化集团ISBU中心开发重点是基于PC自动化，其推出PCBCS控制器是SIMATIC WinAC，它完全兼容SIMATIC S7系列PLC，可以完毕PLC控制功能，其I/O接口使用通信模块连接Profibus-DP，实现SoftPLC控制或通过集成Profibus-DP+MPI/DP，实现插槽型PLC控制。世界上最早采用PLC美国通用汽车公司从1994年起逐渐采用PCBCS系统取代PLC，初，通用汽车公司决定将美国本土所有生产厂中约2500套控制系统所有用Entivity公司下属Think & Do软件公司PCBCS取代。Think & Do软件支持各种国际知名大公司I/O系统(如霍尼韦尔、施耐德、AB、GE等公司)和现场总线，国内Dell电脑厦门组装线、贵阳邮电机械厂研制邮政分检机、天津香精香料公司也采用了Think & Do软件公司PCBCS。深圳德维森公司1999年推出TCS柔性控制系统也应属于PCBCS，其上层操作层由以PC为基本系统承担，完毕与外界连接、网络化、优化、实行专家系统、操作界面、数据监测、文献记录、打印等工作，I/O采用FAMA模块，工控软件采用Intellution公司FIX，将PCBCS、现场总线及网络技术融为一体，是一种以高起点亮相控制系统，当前已在马鞍山钢铁公司、攀枝花钢铁公司、个旧化肥厂等公司使用。